CN1691334A - 利用具有分级电阻变化的多层的存储器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了利用具有分级电阻变化的多层的存储器件。所述存储器件包括：下电极；数据存储层，形成于下电极上且具有分级的电阻变化；和上电极，形成于数据存储层上。
Description
技术领域
本发明涉及利用具有分级电阻变化的多层的存储器件，且特别涉及利用多层电阻变化材料或具有分级的电阻变化的多层的电阻变化膜的非易失存储器件，和其方法。
背景技术
为了获得在每单位面积的大量存储单元(高集成度)、高运行速度和低能驱动的目的已经开发了半导体存储器件。开发了不同的存储器件。
半导体存储器件一般包括具有电路连接的许多存储单元。在动态随机存取存储器(DRAM)的情况中，单位存储单元一般包括一晶体管和一电容。DRAM具有高集成度和高运行速度的优点，但是是一种关闭电源之后其中所有的数据都被擦除的易失存储器，。
非易失存储器件的典型例子是闪速存储器，其中即使在关闭电源之后也可以保持存储的数据。闪速存储器具有与DRAM不同的非易失的特性，但是与DRAM相比具有低的集成度和低的运行速度。
作为被广泛研究的现有的非易失存储器件，有磁性随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)等。MRAM利用在隧道结中磁化方向的改变存储数据。FRAM利用铁电物质的极化特性存储数据。PRAM利用特定材料的相变存储数据。所有这些都具有各自的优点和缺点，但是都被开发用于高集成度、高运行速度、低能驱动和良好的数据保持性。
发明内容
本发明提供了利用电阻变化的新构造的非易失半导体存储器件，其中使用具有分级的电阻变化的多层以进行低能驱动和高速运行。
依据本发明的一方面，提供有利用具有分级的电阻变化的多层的存储器件，该器件包括：下电极；数据存储层，形成于下电极上且具有分级的电阻变化；和上电极，形成于数据存储层上。
数据存储层可以具有包含过渡金属材料的电阻层。
数据存储层可以包括：第一电阻层，形成于下电极上；第二电阻层，形成于第一电阻层上且具有过渡金属材料；第三电阻层，形成于第二电阻层上。
第二电阻层可以具有大于第一和第三电阻层的电阻值。
数据存储层可以包括：第一电阻层，形成于下电极上且具有过渡金属材料；和第二电阻层，形成于第一电阻层上且具有比第一电阻层低的电阻值。
数据存储层可以包括：第一电阻层，形成于下电极上；和第二电阻层，形成于第一电阻层上且具有过渡金属材料，且具有比第一电阻层大的电阻值。
过渡金属材料可以从镍、钛、铪、铌、锌、钨和钴构成的组中选择。
依据本发明的另一方面，提供利用具有分级的电阻变化的多层的存储器件，该器件包括：半导体衬底；第一杂质区和第二杂质区，形成于半导体衬底中；栅极氧化物膜和栅电极层，依次形成于半导体衬底上以与第一杂质区和第二杂质区接触；下电极，形成于第二杂质区上以与第二杂质区电连接；数据存储层，形成于下电极上，且具有分级的电阻变化；和上电极，形成于数据存储层上。
可以形成数据存储层以具有包含过渡金属材料的电阻层。
过渡金属材料可以从镍、钛、铪、铌、锌、钨和钴构成的组中选择。
依据本发明的另一方面，提供利用具有分级的电阻变化的多层的存储器件，该器件包括：半导体衬底；二极管，形成于半导体衬底上且具有开关功能；数据存储层，连接于二极管，且具有分级的电阻变化。
可以形成数据存储层以具有包含其含量可以变化的过渡金属材料的电阻层。
过渡金属材料可以从镍、钛、铪、铌、锌、钨和钴构成的组中选择。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示范性实施例，本发明的上述和其它的特征和优点可以变得更加明显易懂，其中：
图1A至1C是图示本发明的实施例的具有分级的电阻变化的多层的示意图；
图2是图示对晶体管结构使用利用具有分级的电阻变化的多层的存储器件的例子的示意图；
图3A是图示图1A至1C所示的具有分级的电阻变化的多层的电压-电流特性的曲线图；
图3B是图示用于依据本发明的优选实施例的多层的氧化镍中氧化镍的电阻变化与氧(O2)的重量百分比的关系的曲线图；
图4A是图示有具有单一常规的电阻分布的单层膜的存储器件的运行特性的曲线图；和
图4B是图示本发明的实施例的有具有分级的电阻变化的多层的存储器件的运行特性的曲线图。
具体实施方式
现在将参考显示本发明的示范性实施例的附图更全面地描述本发明。
图1A至1C是图示本发明的实施例的具有分级的电阻变化的多层的示意图。
请参考图1A，形成多层的结构以具有电阻值为R1的第一电阻层12a、电阻值为R2的第二电阻层12b、和电阻值为R3的第三电阻层12c，且在下电极11上依次层叠。另外，在第三电阻层12c上形成上电极13。
这里，下电极11和上电极13一般使用可以用作半导体器件的电极材料的导电材料，例如金属材料。具体地，依据在其上形成的材料的种类可以选择地决定下电极11。在下电极11上形成具有分级电阻变化(可变电阻)的多层(电阻体)。第一电阻层12a、第二电阻层12b和第三电阻层12c基本使用具有低电导率的绝缘材料。本发明的特征在于在下电极11和上电极13之间形成具有分级电阻变化的多层。这里，第一电阻层12a和第二电阻层12b的电阻值R1和R2彼此不同，且第二电阻层12b和第三电阻层12c的电阻值R2和R3彼此不同
在图1A的实施例中，第二电阻层12b的电阻值R2可以大于第一电阻层12a和第三电阻层12c的电阻值R1和R3(R2＞R1、R3)。另外，具有相对高电阻值R2的第二电阻层12b可以由含有过渡金属的材料(例如，过渡金属氧化物)形成。过渡金属氧化物例如是氧化镍(NiO)、氧化钛(TiO2)、氧化铪(HfO)、氧化铌(NbO2)、氧化锌(ZnO)、氧化钨(WO3)和氧化钴(CoO)。
第一电阻层12a和第三电阻层12c可以使用与第二电阻层12b同样的过渡金属氧化物，但是可以由其它绝缘材料形成。在第一电阻层12a和第三电阻层12c使用过渡金属氧化物的情况中，它们具有比第二电阻层12b的电阻值R2低的电阻值。第一电阻层12a、第二电阻层12b和第三电阻层12c被如下安排。
首先，形成包括过渡金属材料的第二电阻层12b，且可以由过渡金属氧化物形成。
其次，由具有比第二电阻层12b的电阻值低的电阻值的绝缘材料形成第一电阻层12a和第三电阻层12c。
第三，如第二电阻层12b，第一电阻层12a和第三电阻层12c也可以由过渡金属氧化物形成，但是形成具有比第二电阻层12b的电阻值低的电阻值。
作为参考，第一电阻层12a、第二电阻层12b和第三电阻层12c也可以由相同的过渡金属氧化物形成。但是，同样形成第二电阻层12b以具有比第一电阻层12a和第三电阻层12c的电阻值R1和R3高的电阻值R2。例如，在氧化镍作为过渡金属氧化物的一种的情况中，如果控制氧的含量，依据氧的含量分布，即使相同的材料也具有不同的电阻值。因此，利用以上的特征形成具有分级的电阻变化的多层。
与图1A不同，图1B和1C图示了有两层电阻层的具有分级的电阻变化的多层。但是，应当指出由过渡金属氧化物形成的电阻层12b表示具有比在具有分级的电阻变化的多层中的其它电阻层高的电阻值的、含有过渡金属的电阻层区。
可以使用一般的半导体技术容易地制造本发明的实施例的具有分级的电阻变化的多层。在第一电阻层12a、第二电阻层12b和第三电阻层12c可以由相同的过渡金属氧化物(例如氧化镍)形成的情况下，可以恰当地控制氧的含量，从而连续地形成多层以在厚度方向上具有不同的电阻值。
为了实现具有分级的电阻变化的多层作为本发明的实施例的存储器件，在图2的实施例中图示了与具有开关功能的晶体管结构连接的多层。这里，除了所述晶体管之外，二极管可以用作开关器件。
请参考图2，在半导体衬底24的两侧形成具有预定掺杂杂质的第一杂质区25a和第二杂质区25b。在半导体衬底24中第一杂质区25a和第二杂质区25b之间形成沟道区(未示出)。在沟道区上形成栅极绝缘层26和栅电极层27。在第一杂质区25a(源极)和第二杂质区25b(漏极)上可以直接形成具有分级的电阻变化的多层。图2图示了在第二杂质区25b上连接的多层。
在第二杂质区25b上形成下电极21。相应于图1A，在下电极21上依次形成第一电阻层12a、第二电阻层12b和第三电阻层12c以形成可变电阻结构。在第三电阻层22c上形成上电极23。图2图示了在第二杂质区25b上直接形成以包括下电极的具有分级电阻变化的多层。但是，应当指出，在图2中可以形成通过第二杂质区25b和导电栓塞(未示出)的连接结构。
图2的存储器件具有包括在一个晶体管中有的一个电阻的1T-1R结构，且多层12a、12b和12c是数据存储层。基于半导体存储器件的一般制造工艺可以容易地制造以上结构的存储器件。
其描述如下。
首先，在半导体衬底24上依次沉积栅极绝缘层26和栅电极层27。去除两侧的栅极绝缘层26和栅电极层27以暴露半导体衬底24的两侧的上层部分。之后，利用注入在暴露的半导体衬底24的两侧掺杂预定的杂质。通过如此作法，形成第一杂质区25a和第二杂质区25b，由此完成晶体管结构。另外，在晶体管结构上沉积层间绝缘层(未示出)。暴露出第二杂质区25b。在所暴露的第二掺杂区25b上依次形成下电极21、第一电阻层22a、第二电阻层22b、第三电阻层22c和上电极23，以使可以制造如图2所示的1T-1R结构的存储器件。
此后，参考附图详细说明本发明的实施例的利用具有分级的电阻变化的多层的存储器件的运行特性。
图3A是图示具有分级的电阻变化的多层的电特性的曲线图，其中使用氧化镍形成电阻层22a、22b和22c。横轴代表施加于电阻层22a、22b和22c的电压，而纵轴代表相应于施加电压的在电阻层中流动的电流。
请参考图3A，在本发明的该实施例的利用具有分级的电阻变化的存储器件的情况中，表现出了两个运行特性。
首先，如果逐渐增加施加于电阻层22a、22b和22c的零电压，则电流正比于施加电压而增加。但是，如果施加大于V1的电压，则电阻迅速增加以降低电流。另外，如果施加大于V2(V2＞V1)的电压，则电阻迅速减小以增加电流，由此又遵循曲线G1。
可替换地，依赖施加于其的大于V1的电压的电阻层22a、22b和22c的电特性影响着随后施加小于V1的电压时的电特性。以下详细描述该特性。
首先，在V1至V2的电压施加于电阻层22a、22b和22c且然后小于V1的电压又施加于电阻层22a、22b和22c的情况中，测量的电流遵循图3A的曲线G2。另外，在对电阻层22a、22b和22c施加大于V2的电压(V3)且然后施加小于V1的电压的情况中，测量的电流遵循图3A的曲线G1。通过该特性，可以理解，电特性不消失地保持着，以根据大于V1的电压的大小(V1至V2的电压或大于V2的电压)，影响电阻层22a、22b和22c。
因此，可以在电阻层22a、22b和22c中使用过渡金属以在非易失存储器件中应用具有分级的电阻变化的多层。即，在施加图3A的V1至V2的电压的情况中，电阻层22a、22b和22c被指定为处于状态“0”，而在施加大于V2的电压的情况中，电阻层22a、22b和23c被指定为处于状态“1”，由此纪录数据。在复制数据的情况中，施加小于V1的电压以测量漏极电流(Id)，由此识别在电阻层22a、22b和22c中存储的数据是否在状态“1”或“0”。当然，状态“1”或“0”是有选择地指定的。
图3B是图示依据用于图2所示的多层的氧化镍中氧(O2)的含量(wt％)的氧化镍的电阻变化的曲线图。如上所述，由具有不同的氧含量的相同的过渡金属可以形成构成具有图2的分级的电阻变化的多层的第一电阻层22a、第二电阻层22b和第三电阻层22c。由于依据氧含量过渡金属氧化物的电阻特性不同，所以应控制电阻层22a、22b和22c的氧含量以表现出如图3A的电特性。
请参考图3B，具有大约2至9.5wt％的氧含量的区域(开关区)具有氧化镍的电阻值，其大于其它区域(缓冲区)的电阻，且具有如图3A表示的电特性。因此，在具有大约2至9.5wt％的氧含量的区域中，氧化镍被用作第二电阻层22b。另外，具有氧含量的其它氧化镍可以用作第一电阻层22a和第三电阻层22c。当然，第一电阻层22a和第三电阻层22c可以由不同于过渡金属氧化物的其它绝缘材料形成。它们可以用于本发明的该实施例的具有分级的电阻变化的多层。
图4A和4B是图示有具有单一电阻层的存储器件和本发明的实施例的有具有分级的电阻变化的多层的存储器件的电特性的比较的曲线图。
横轴代表施加于电阻层的电压的大小(V)，且纵轴代表在电阻层中测量的电流。由于即使在具有不具有分级的电阻变化的单层过渡金属氧化物的存储器件中也存在图3A的电特性，所以它可以用作存储器件。但是，在使用具有分级的电阻的多层的情况中，可以获得稳定的开关特性以使存储器件具有更加优秀的特性。
图4A图示了利用单一电阻层的存储器件的电特性。在图4A中，在下电极和上电极之间形成相应于图3B的开关区的氧化镍。请参考图4A，可以理解通过利用曲线G1和G2难于区分相互变化的(mutually varied)电压(图3A的V1和V2)的大小。另外，可以设定相应于图3A的V1和V2之间的差(V2-V1)的区域(ΔV)，但是没有那么大。
图4B图示了本发明的实施例的具有分级的电阻变化的存储器件的电特性。
这里，由具有相应于图3B的缓冲区的氧含量的氧化镍形成试验样品的第一电阻层22a和第三电阻层22c，且由具有相应于图3B的开关区的氧含量的氧化镍形成第二电阻层22b。另外，形成第一电阻层22a、第二电阻层22b和第三电阻层22c以具有相同的大约50nm的厚度。
请参考图4B，可以理解使用曲线G1和G2可以容易地区分相互变化的电压的大小(图3A的V1和V2)。另外，可以容易地设定相应于的V1和V2之间的差(V2-V1)的区域(ΔV)。另外，由于本发明的存储器件可以在相对较低的电压和电流区运行，可以进行低能驱动。
如上所述，本发明提供了具有1T-1R或1D-1R的新结构的非易失半导体器件。由于本发明可以使用广泛使用的半导体工艺，如现有的传统的DRAM制造工艺，所以可以容易地实现制造且可以提高生产率。另外，本发明具有一优点，即，由于在其运行特性上使用具有分级的电阻变化的多层的电阻特性以存储和复制信息，集成度可以提高，同时实现高速运行特性和低能驱动。
尽管参考其示范性实施例显示和描述了本发明，但本领域的一般技术人员应当理解在不背离由所附的权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上在其中作出不同的改变。
例如，本发明提供了具有分级的电阻变化的两层或三层的多层，但是可以包括具有分级的电阻变化的更多层。另外，本发明的存储器件提供具有与晶体管连接的分级的电阻变化的多层，但是明显的是多层可以与是另一开关元件的二极管连接，以用作1D-1R形式的存储器件。
Claims (13)
1.一种利用具有分级的电阻变化的多层的存储器件，所述器件包括：
下电极；
数据存储层，形成于所述下电极上且具有分级的电阻变化；和
上电极，形成于所述数据存储层上。
2.如权利要求1的器件，其中所述数据存储层具有包含过渡金属材料的电阻层。
3.如权利要求2的器件，其中所述数据存储层包括：
第一电阻层，形成于所述下电极上；
第二电阻层，形成于所述第一电阻层上且具有过渡金属材料；
第三电阻层，形成于所述第二电阻层上。
4.如权利要求3的器件，其中所述第二电阻层具有大于所述第一和第三电阻层的电阻值。
5.如权利要求2的器件，其中所述数据存储层包括：
所述第一电阻层，形成于所述下电极上且具有过渡金属材料；和
所述第二电阻层，形成于所述第一电阻层上且具有比所述第一电阻层低的电阻值。
6.如权利要求2的器件，其中所述数据存储层包括：
所述第一电阻层，形成于所述下电极上；和
所述第二电阻层，形成于所述第一电阻层上且具有过渡金属材料，且具有比所述第一电阻层大的电阻值。
7.如权利要求2的器件，其中所述过渡金属材料从由镍、钛、铪、铌、锌、钨和钴构成的组中选择。
8.一种利用具有分级的电阻变化的多层的存储器件，所述器件包括：
半导体衬底；
第一杂质区和第二杂质区，形成于所述半导体衬底中；
栅极氧化物膜和栅电极层，依次形成于所述半导体衬底上以与所述第一杂质区和第二杂质区接触；
下电极，形成于所述第二杂质区上以与所述第二杂质区电连接；
数据存储层，形成于所述下电极上，且具有分级的电阻变化；和
上电极，形成于所述数据存储层上。
9.如权利要求8的器件，其中形成有所述数据存储层以具有包含过渡金属材料的电阻层。
10.如权利要求9的器件，其中所述过渡金属材料从由镍、钛、铪、铌、锌、钨和钴构成的组中选择。
11.一种利用具有分级的电阻变化的多层的存储器件，该器件包括：
半导体衬底；
二极管，形成于所述半导体衬底上且具有开关功能；和
数据存储层，连接于所述二极管，且具有分级的电阻变化。
12.如权利要求11的器件，其中形成有所述数据存储层以具有包含其含量可以变化的过渡金属材料的电阻层。
13.如权利要求11的器件，其中所述过渡金属材料从由镍、钛、铪、铌、锌、钨和钴构成的组中选择。
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